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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kältemittelkreislauf, insbesondere für ein Haushaltskältegerät.
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Beim Zusammenbau eines Kältemittelkreislaufs ist kaum zu vermeiden, dass eine kleine Menge Wasser eingeschlossen wird, insbesondere in Form von Adsorbat an den Innenwänden der den Kältemittelkreislauf bildenden Rohre und in im Schmieröl des Verdichters gebundener Form. Wenn dieses Wasser während des Betriebs des Kältemittelkreislaufs von den Wänden desorbiert bzw. aus dem in Kontakt mit dem Kältemittel stehenden Schmieröl verdampft und im Strom des Kältemittels mitgespült wird, neigt es dazu, an den kältesten Stellen des Kältemittelkreislaufs auszufrieren und dadurch die Zirkulation des Kältemittels zu behindern. Bei zahlreichen Kältemitteln, insbesondere den früher für Kältemaschinen für Haushaltskältegeräte vielfach verwendeten Halogenkohlenwasserstoffen, können außerdem durch anhaltenden Kontakt mit Wasser Säuren entstehen, die, gelöst im Wasser, den Kältemittelkreislauf durch Korrosion beschädigen können.
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Die Kältemittelkreisläufe herkömmlicher Haushaltskältegeräte enthalten deshalb einen sogenannten Trockner, d.h. eine von dem Kältemittel durchströmte Kammer, die ein meist festes Trockenmittel enthält, welches das Wasser bindet. Um den Trockner in den Kältemittelkreislauf einzufügen, sind im Allgemeinen zwei Lötschritte, an Ein - und Auslass des Trockners, erforderlich.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen Kältemittelkreislauf mit einem vereinfachten, kostengünstig zu fertigenden Aufbau zu schaffen.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Kältemittelkreislauf mit einer Kältemittelleitung, die einen kalten Wärmetauscher und einen warmen Wärmetauscher miteinander verbindet und die ein Kältemittel und Wasser enthält, die Kältemittelleitung ferner einen in dem Wasser löslichen gefrierpunktsenkenden Zusatz enthält. Das auf diese Weise an der Eisbildung gehinderte Wasser kann im Kältemittelkreislauf verbleiben und mit dem Kältemittel zirkulieren; der herkömmlicherweise zum Binden des Wassers benötigte Trockner kann entfallen.
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Die Menge des Zusatzes ist vorzugsweise ausreichend bemessen, um den Gefrierpunkt der durch Lösen des Zusatzes in dem Wasser gebildeten Lösung unter die Betriebstemperatur des kalten Wärmetauschers abzusenken und so jegliche Eisbildung im Kältemittelkreislauf zu unterbinden.
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Die Erfindung ist sowohl auf passive Kältemittelkreisläufe wie etwa in einem Wärmerohr, in denen die Zirkulation des Kältemittels durch die Temperaturdifferenz zwischen warmem und kaltem Wärmetauscher angetrieben ist, als auch in einem aktiven Kältemittelkreislauf anwendbar, in dem ein Verdichter die Zirkulation des Kältemittels antreibt und eine Drosselstelle einen Druckunterschied zwischen warmem und kaltem Wärmetauscher aufrecht erhält. Tatsächlich stellt ein solcher aktiver Kältemittelkreislauf eine bevorzugte Anwendung der Erfindung dar, da hier die kälteste, am stärksten zur Vereisung neigende Stelle im Allgemeinen unmittelbar am Ausgang der Drosselstelle liegt, d.h. an einer Stelle, die aufgrund ihres kleinen Querschnitts gegen Strömungshindernisse besonders empfindlich ist.
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Die Menge des Wassers, die beim Zusammenbau eines Kältemittelkreislaufs in dessen Innern eingeschlossen wird, hängt von diversen Unwägbarkeiten wie etwa der Vorgeschichte der verarbeiteten Bauteile, Temperatur und Luftfeuchtigkeit bei der Verarbeitung ab und kann daher von einem Kältemittelkreislauf zum anderen variieren. Um die Menge des benötigten Zusatzes abzuschätzen, kann daher eine Obergrenze für die eingeschlossene Wassermenge so großzügig angesetzt werden, dass sie auch unter ungünstigen Bedingungen nicht überschritten werden kann, und die Menge des Zusatzes so bemessen werden, dass bei Vermischung mit einer dieser Obergrenze entsprechenden Wassermenge die Gefriertemperatur sicher unter der tiefsten erreichbaren Betriebstemperatur des kalten Wärmetauschers liegt. Je nachdem, wie großzügig die Annahmen hinsichtlich der möglicherweise eingeschlossenen Wassermenge sind, können dabei große Mengen des Zusatzes nötig werden, die im Betrieb des Kältemittelkreislaufs zwar laufend umgewälzt werden müssen, aber, da sie keinen Wechsel des Aggregatzustands durchmachen, zur Kühlwirkung allenfalls in vernachlässigbarem Umfang beitragen und lediglich den Wirkungsgrad des Kältemittelkreislaufs beeinträchtigen. Es ist daher wünschenswert, die Menge des Zusatzes gering zu halten, auch auf die Gefahr hin, dass sich in einem Kältemittelkreislauf, in dem die eingeschlossene Wassermenge ungewöhnlich groß ist, bei niedriger Temperatur des kalten Wärmetauschers Eis bildet. Das Vorhandensein von kleinen Mengen Eis beeinträchtigt die Pumpbarkeit der Lösung im Allgemeinen nicht. Es kann aber den Durchgang des Kältemittels durch eine Drosselstelle behindern und so auch die Verdampfungstemperaturen in dem der Drosselstelle nachgeordneten kalten Wärmetauscher beeinflussen. Ein Vereisen der Drosselstelle ist insbesondere im Falle einer Unterbrechung des Kältemittelflusses möglich. Daher ist es im Rahmen der Erfindung bevorzugt, einen kann drehzahlgeregelten Verdichter zu verwenden, mit dem eine solche Unterbrechung vermieden werden kann.
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Um den Einsatz sowohl in einem Kühl- als auch in einem Gefriergerät zu ermöglichen, sollte die die Menge des Zusatzes bemessen ist, um den Gefrierpunkt der Lösung auf unter -40°C zu senken.
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Der Zusatz sollte einen niedrigen Dampfdruck aufweisen, damit er in allen Bereichen des Kältemittelkreises möglichst in flüssiger Form vorliegt. Hoch siedende Flüssigkeiten haben oft auch einen hohen Schmelzpunkt. Um auch dann, wenn der Schmelzpunkt des Zusatzes sich nicht wesentlich von dem des Wassers unterscheidet, eine deutliche Gefrierpunktabsenkung zu erreichen, sind als Zusatz Flüssigkeiten bevorzugt, die in der Lage sind, mit Wasser ein eutektisches Gemisch zu bilden. Da die in einem Kältemittelkreislauf eingeschlossene Wassermenge bei dessen Montage im Allgemeinen nicht genau bekannt ist, ist es nicht möglich, den Zusatz von vornherein so zu dosieren, dass ein eutektisches Gemisch entsteht doch selbst wenn der Gefrierpunkt des durch Beigabe des Zusatzes erhaltenen Gemischs das Ausfrieren von Wasser nicht unter allen Bedingungen verhindert, so führt doch das Ausfrieren eines Teils des Wassers zu einer Annäherung der Gemischzusammensetzung an das eutektische Verhältnis und damit zu einer weiteren Gefrierpunktabsenkung, so dass zumindest die Menge des Wassers, die unter ungünstigen Umständen im Kältemittelkreislauf ausfrieren kann, und die Gefahr eines Zufrierens folglich deutlich vermindert sind. Zu diesen Flüssigkeiten gehören zahlreiche ein- oder mehrwertige Alkohole wie Methanol, Ethanol, Ethylenglykol oder Glycerin. Insbesondere Glycerin zeichnet sich durch stark wasserbindende Eigenschaften aus.
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Propylenglykol bildet im Gegensatz zu den vorgenannten mit Wasser kein eutektisches Gemisch; stattdessen nimmt der Gefrierpunkt des Gemischs mit zunehmendem Propylenglykolanteil kontinuierlich ab. Dennoch ist Propylenglykol ausgezeichnet als Zusatz geeignet, weil der Temperaturbereich, in dem es in flüssiger Form vorliegt, ungewöhnlich groß und deshalb sein Dampfdruck bei den im Kältemittelkreislauf eines Kältegeräts auftretenden Temperaturen sehr niedrig ist.
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Um bei Verwendung von Ethanol als Zusatz den oben erwähnten Gefrierpunkt von unter - 40°C zu erreichen, sollte die Konzentration des Ethanols im Ethanol-Wasser-Gemisch mindestens 55 Massen-% betragen. Auch der Anteil von Propylen- oder Ethylenglykol in einem Glykol-Wasser-Gemisch sollte in dieser Größenordnung liegen. Für Methanol und Glycerin sind niedrigere Anteile von 45 bzw. 25 Massen-% bevorzugt.
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Um Säurebildung durch Kontakt des Wassers mit dem Kältemittel auszuschließen, ist als Kältemittel ein nichthalogenierter Kohlenwasserstoff, insbesondere Isobutan (R600a) bevorzugt.
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Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Kältegerät, insbesondere Haushaltskältegerät, mit einer einen Lagerraum umschließenden Wärmedämmschicht und einem Kältemittelkreislauf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der kalte Wärmetauscher an einer Innenseite und der warme Wärmetauscher an einer Außenseite der Wärmedämmschicht angebracht ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnungen. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Kältegeräts mit einem Kältemittelkreislauf gemäß der vorliegenden Erfindung; und
- 2 Phasendiagramme verschiedener Zusätze, die zur Verwendung dem Kältemittelkreislauf der 1 in Betracht kommen.
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1 zeigt schematisch ein Haushaltskältegerät mit einem wärmedämmenden Gehäuse 1, in dem mehrere Lagerfächer 2, 3, 4 von einer Wärmedämmschicht 23 umgeben sind. Die Fig. zeigt drei solche Lagerfächer, es können mehr oder weniger, bis hin zu - im einfachsten Fall - einem einzigen Lagerfach vorgesehen sein.
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Jedem Lagerfach 2, 3, 4 ist ein Wärmetauscher 5, 6, 7 zugeordnet, z. B. ein Plattenwärmetauscher vom Rollbond- oder Tube-on-Sheet-Typ. Ein solcher Wärmetauscher kann im Innern des Fachs der Temperaturzone 2, 3, 4 freiliegend vor einer Wand oder in der Wand, zwischen einer Wärmedämmschicht und einem das Fach begrenzenden Innenbehälter, montiert sein.
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Alternativ können die Wärmetauscher 5, 6, 7 auch jeweils in einer Wärmetauscherkammer untergebracht sein, die von dem von ihr gekühlten Lagerfach 2, 3, 4 durch eine Zwischenwand abgetrennt ist, wobei ein Ventilator 8 den Luftaustausch zwischen dem Lagerfach und der Wärmetauscherkammer antreibt.
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Die Wärmetauscher 5, 6, 7 bilden zusammen mit einem drehzahlgeregelten Verdichter 9, einem Verflüssiger 10, einer Verzweigung 11, mehreren Drosselstellen und einer sie verbindenden Kältemittelleitung 12 einen Kältemittelkreislauf 13. Ausgehend vom Verdichter 8 verläuft ein Hochdruckabschnitt der Kältemittelleitung 12 über den Verflüssiger 10 zur Verzeigung 11 und teilt sich dort in zwei Zweige 14, 15. Am Zweig 14 sind eine Drosselstelle 16, der Wärmetauscher 5 und eine Drosselstelle 17 in Reihe verbunden, am Zweig 15 eine Drosselstelle 18, der Wärmetauscher 6 und eine Drosselstelle 19. An einem Vereinigungspunkt 20 treffen die Zweige 14, 15 wieder zusammen; von dort aus erstreckt sich ein Niederdruckabschnitt der Kältemittelleitung 12 über den Wärmetauscher 7 zurück zum Verdichter 9.
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Im hier betrachteten Beispiel ist der Einfachheit halber angenommen, dass alle Drosselstellen 16-19 als Expansionsventile mit einstellbarem Durchgangswiderstand ausgebildet sind; es können auch einzelne dieser Drosselstellen 16-19 durch Kapillarleitungen gebildet sein. Insbesondere in dem Fall, dass nur ein einziges Lagerfach vorgesehen ist, genügt für dessen Wärmetauscher als vorgeschaltete Drosselstelle eine Kapillare.
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Durch die Drosselstellen 16-19 sind die Wärmetauscher 5, 6 auf einem höheren Druck gehalten als der Wärmetauscher 7. Die Durchlässigkeit der Drosselstellen 18, 19 ist so gewählt, dass die sich im Wärmetauscher 6 einstellende Verdampfungstemperatur deutlich über der des Wärmetauschers 7 liegt und eine Nutzung des Lagerfachs 3 als Normal- oder Frischkühlzone ermöglicht. Der Druckabfall an der Drosselstelle 16 ist zwischen Werten, die eine Nutzung auch des Lagerfachs 2 als Normal- oder Frischkühlzone ermöglichen, und nahezu Null einstellbar. Wenn die Drücke im Verflüssiger 10 und im Wärmetauscher 5 praktisch gleich sind, dann hat das zur Folge, dass die Kondensation des Kältemittels nicht nur im Verflüssiger 9, sondern auch im Wärmetauscher 5 stattfindet und dieser das Lagerfach 2 auf eine Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur aufheizt.
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Infolge des niedrigen Drucks herrscht im Wärmetauscher 7 eine niedrigere Verdampfungstemperatur herrscht als in den Wärmetauschern 5, 6. In der Umgebung des Vereinigungspunkts 20, typischerweise an einer der Einspritzstellen 21, 22, an denen die Drosselstellen 17, 19 in den Wärmetauscher 7 einmünden, befindet sich daher unter normalen Betriebsbedingungen der kälteste Punkt des Kältemittelkreislaufs 13, an dem, um eine gefrierfachtypische Temperatur von -17°C im Lagerfach 4 aufrechtzuerhalten, eine Temperatur von typischerweise -30°C bis -20°C herrscht.
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Der Kältemittelkreislauf 13 ist mit einem halogenfreiem Kohlenwasserstoff, vorzugsweise Isobutan (R600a), als Kältemittel gefüllt. Ein Trockner, über den das Kältemittel geleitet wird, um im Kältemittel enthaltenes Wasser zu binden und so dem Kreislauf 13 zu entziehen, ist beim erfindungsgemäßen Kältegerät nicht vorgesehen. Wasser, das sich zum Zeitpunkt, an dem der Zusammenbau des Kältemittelkreislaufs 13 und seine Komponenten hermetisch dicht miteinander verbunden werden, im Innern des Kältemittelkreises befindet, verbleibt darin, bis der Kältemittelkreislauf 13 am Ende der Lebenszeit des Geräts zerlegt wird. Um sicherzustellen, dass keine der Einspritzstellen 21, 22 durch dort gefrierendes Wasser blockiert wird, ist dem Kältemittel ein Zusatz beigegeben, der mit Wasser mischbar und geeignet ist, die Gefriertemperatur des Wassers herabzusetzen.
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Die Menge des beim Zusammenbau an den Rohrinnenseiten des Kältemittelkreislaufs 13 gebundenen Wassers sollte bei einem Haushaltskältegerät üblicher Größe unter normalen Bedingungen 0,75 g nicht überschreiten. Um sicherzustellen, dass eine solche Wassermenge auch dann nirgends ausfriert, wenn es mit dem Kältemittel im Kältemittelkreislauf 13 umläuft, wird zusammen mit dem Kältemittel ein den Gefrierpunkt des Wassers herabsetzender Zusatz in einer Menge beigefügt, die genügt, um die Gefriertemperatur der durch die Beifügung des Zusatzes erhaltenen wässrigen Lösung ausreichend niedriger zu machen als die des Wärmetauschers 7. Da letztere wie oben erwähnt bei -30°C liegen kann, wird die Gefriertemperatur der wässrigen Lösung bei -40°C angesetzt.
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Die Menge des dafür benötigten Zusatzes ist aus 2 ersichtlich, die Phasendiagramme von wässerigen Lösungen diverser in Betracht kommender Zusätze zeigt.
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Die Kurve A zeigt die Gefriertemperatur als Funktion des Mischungsverhältnisses zwischen Wasser und Ethanol als Beispiel für einen möglichen Zusatz. Ausgehend von der Gefriertemperatur 0°C für reines Wasser nimmt die Gefriertemperatur mit steigender Ethanolkonzentration kontinuierlich ab, bis sie bei einem Anteil von ca. 93° Ethanol ein Minimum erreicht. Um Eisfreiheit des Kältemittels bis herunter zu einer Temperatur von - 40°C zu gewährleisten, sollte der Ethanolanteil in der Lösung mindestens 55 Massen-% Temperatur betragen. Es ist zwar möglich, durch noch höheres Verhältnis von Ethanol zu Wasser im Kältemittelkreis die Gefriertemperatur noch weiter abzusenken, doch hat dies keinen weiteren Nutzen, wenn die niedrigste Temperatur, die der Kältemittelkreis 13 unter normalen Betriebsbedingungen erreicht, nicht unter -30°C liegt.
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Für ein reines Kühlgerät, bei dem die Temperatur des Verdampfers allenfalls leicht unter 0°C fällt, würde gar ein Ethanolanteil in der Lösung von ca. 25% ausreichen.
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Ein Vorteil der Verwendung von Ethanol als die Eisbildung verhindernder Zusatz liegt darin, dass die Menge des eingeschlossenen Wassers nur grob bekannt zu sein braucht. Da durch ausreichende Ethanolzugabe die Gefriertemperatur bis unter -100°C abgesenkt werden kann, genügt es, eine großzügig bemessene Obergrenze für die Menge des eingeschlossenen Wassers anzusetzen und das Ethanol so zu dosieren, dass, wenn die Wassermenge tatsächlich dieser Obergrenze entspräche, das resultierende Ethanol-Wasser-Gemisch einen Ethanolanteil von 55 Massen-% hätte. Dass der reale Ethanolanteil dann in den allermeisten Fällen über 55 Massen-% betragen wird, ist unschädlich, da dann die Eisbildung im Kältemittelkreis 13 erst recht ausgeschlossen ist.
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Da durch ausreichende Ethanolzugabe jegliche Eisbildung im Kältemittelkreis unterdrückt werden kann, eignet sich Ethanol besonders zur Verwendung in Kältegeräten mit nicht drehzahlgeregeltem Verdichter, bei denen in Zeiten, in denen der Verdichter still steht, anderenfalls Eiskristalle groß werden könnten, um eine Drosselstelle zu blockieren. Störend ist allenfalls, dass das vom zugefügten Ethanol belegte Volumen des Kältemittelkreises 13 für Kältemittel nicht mehr zur Verfügung steht und das Ethanol-Wasser-Gemisch, indem es im Kältemittelkreislauf zirkuliert, ohne seine Phase zu ändern, zum Wärmetransport nicht beiträgt.
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Aus diesem Grund ist es wünschenswert, das Volumen, den das Gemisch aus Wasser und eisverhinderndem Zusatz im Kältekreislauf belegt, so gering wie möglich zu halten. Dies kann zum einen geschehen, indem man den Zusatz anhand einer realistischen Schätzung der eingeschlossenen Wassermenge dosiert und in Kauf nimmt, dass in einem Kältemittelkreislauf, in dem die reale Wassermenge größer als diese Schätzmenge ist, die Entstehung kleiner Mengen von Eis in Kauf genommen wird. Dies ist möglich, weil zum einen das Vorhandensein kleiner Eisanteile die Fließfähigkeit des Gemischs nicht beeinträchtigt und zum andern dadurch, dass der drehzahlgeregelte Verdichter 9, indem er ständig in Betrieb ist, das Gemisch ständig in Bewegung hält und die Entstehung großer Eiskristalle verhindert, die eine der Einspritzstellen 21, 22 verstopfen könnten.
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Eine ähnliche Wirkung wie mit Ethanol ist mit Ethylenglykol erreichbar, wie durch Kurve B in 2 dargestellt. Auf den Masseanteil bezogen ist die Gefrierpunktabsenkung durch Ethylenglykol ziemlich genau gleich groß wie die von Ethanol. Der tiefste erreichbare Gefrierpunkt ist mit knapp unter -50°C deutlich höher als beim Ethanol, aber immer noch tief genug, um bei für ein Haushaltskältegerät üblichen Verdampfertemperaturen jegliche Eisbildung im Kältemittelkreis unterbinden zu können.
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Der Gefrierpunkt von Methanol liegt niedriger als der von Ethanol, deswegen genügt, wie anhand der Kurve C zu erkennen, ein Zusatz von knapp 45 Massen-% Methanol, um eine Gefrierpunktabsenkung auf unter -40°C zu erzielen. Allerdings hat Methanol auch einen deutlich niedrigeren Siedepunkt als Ethanol und Wasser, so dass ein Teil des Methanols im Kältemittelkreis als Dampf zirkulieren kann, der zwar Platz belegt und dessen Umwälzung durch den Verdichter Energie beansprucht, der aber nicht zur Kühlung beiträgt und somit den Wirkungsgrad des Kältegeräts mindert.
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Geeignete Zusätze mit niedrigem Dampfdruck sind insbesondere Glycerin und Propylenglykol. Ein Gemisch von Wasser und Glycerin hat einen höheren Gefrierpunkt als die zuvor betrachteten Gemische von Wasser und Ethanol, Wasser und Ethylenglykol bzw. Wasser und Methanol, wie in Kurve D gezeigt. Dennoch ist die Verwendung von Glycerin als Zusatz attraktiv, da die Gefrierpunktabsenkung durch Beigabe von Glycerin erheblich stärker ist als durch Beigabe einer gleich großen Masse von Ethanol oder Ethylenglykol, und somit die Menge des Materials, das ohne Phasenwechsel im Kältemittelkreislauf zirkuliert, gering gehalten werden kann.
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Da eine Gefrierpunktabsenkung auf unter -40°C mit Glycerin nur in einem relativ schmalen Konzentrationsbereich zwischen ca. 25 und 32 Massen-% erreicht wird, kann Glycerin, im Gegensatz zu Ethanol, nicht vorbeugend großzügig dosiert werden; eine übermäßige Zugabe von Glycerin würde den Gefrierpunkt wieder ansteigen lassen. Dies ist jedoch bei einem Kältegerät mit drehzahlgeregeltem Verdichter 9 unbedenklich, da wie oben beschrieben, aufgrund des Dauerbetriebs des Verdichters 9 eine gewisse Eisbildung für die Zirkulation des Kältemittels unkritisch ist und hingenommen werden kann und die Konzentration des Glycerins deswegen von der eutektischen Konzentration in Maßen abweichen darf.
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Die gestrichelte Kurve E zeigt die Konzentrationsabhängigkeit des Gefrierpunkts für ein Wasser-Propylenglykol-Gemisch. Die Konzentration an Propylenglykol, die erforderlich ist, um den Gefrierpunkt auf -40 °C zu senken, entspricht weitgehend den Konzentrationen von Ethanol in einem Wasser-Ethanol-Gemisch bzw. von Ethylenglykol in einem Wasser-Ethylenglykol-Gemisch mit demselben Gefrierpunkt. Vorteilhafterweise ist jedoch eine Überdosierung des Propylenglykols kaum möglich, da der Gefrierpunkt eines solchen Gemischs mit zunehmender Konzentration des Propylenglykols immer weiter abnimmt.
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Die obigen Ausführungsbeispiele verwenden jeweils nur binäre Gemische aus dem Kältemittel und einer einzigen chemischen Substanz als Zusatz. Natürlich kommt die Verwendung ternärer und höherer Gemische mit zwei oder mehr verschiedenen Zusätzen ebenfalls in Betracht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Lagerfach
- 3
- Lagerfach
- 4
- Lagerfach
- 5
- Wärmetauscher
- 6
- Wärmetauscher
- 7
- Wärmetauscher
- 8
- Ventilator
- 9
- Verdichter
- 10
- Verflüssiger
- 11
- Abscheider
- 12
- Kältemittelleitung
- 13
- Kältemittelkreislauf
- 14
- Zweig
- 15
- Zweig
- 16
- Drosselstelle
- 17
- Drosselstelle
- 18
- Drosselstelle
- 19
- Drosselstelle
- 20
- Vereinigungspunkt
- 21
- Einspritzstelle
- 22
- Einspritzstelle
- 23
- Wärmedämmschicht
